損傷巖石聲發射演化特征及響應機制試驗研究

張 凱，張東曉，趙勇強，楊英明，郭偉耀,，孫 鵬，胥林鵬，付光勝

(1.北京低碳清潔能源研究院 煤炭開采水資源保護與利用全國重點實驗室，北京 102211；2.國家能源投資集團有限責任公司，北京 100011；3.山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島 266590；4.中國冶金地質總局青島地質勘查院，山東 青島 266590)

巖石內部含有大量原生孔隙與微裂隙，在外部應力環境影響下，微裂隙逐漸擴展聚合，導致其力學性能劣化[1]。微裂隙擴展常被視為巖石損傷累積，決定了巖體破壞失穩過程[2]。由于巖體工程一般開挖規模大、擾動強度高，巖體損傷區會隨時間推移不斷發展演化，導致巖體工程施工過程中需要不斷地對圍巖損傷區進行跟蹤檢測，以實現對損傷區巖體力學性質及承載能力的快速估算[3-4]。因此，合理預測巖石損傷程度對工程穩定性和安全性具有重要意義。

研究表明，不同損傷程度巖石物理性質會有明顯區別，包括聲學、電磁學、熱學等物理參數[5-6]。巖石在受力作用時，其內部原生孔洞裂隙的發育擴展以及新生裂隙孕育所產生的能量以彈性波形式釋放，稱為巖石的聲發射[7-8]。聲發射特征參數和頻譜特性能夠反映巖石內部破裂的動態演化過程，研究巖石破裂聲發射信號特征可為巖體破壞的穩定性評價和監測預報提供理論依據[9]。目前，損傷巖石聲發射特征研究主要可以分為兩大類：基于時域參數的方法和基于波形的方法，通過振鈴計數、能量、b值、S值等聲發射特征參數來研究巖石變形破壞過程，以及分析巖石不同損傷階段的聲發射特性、巖石破壞震源定位等[10-12]。但這些聲發射參數只是對信號單一特征的簡單統計描述，僅提供有限的破裂源特征信息，無法獲取聲發射波形攜帶的巖石受力狀態、結構、物理力學性質等全部信息[13-15]。近年來，學者開始對聲發射波形進行分析，即采用信號處理方法分析波形，揭示巖石破裂過程中時域信號演化規律，進而提供更全面詳盡的聲發射特征信息[16-18]。頻率特征由于具有本征性、唯一性和穩定性，且不同的頻率特征能反映出巖體內部不同的破壞過程，被廣泛應用于聲發射演化規律研究[19-21]。另外，超聲波無損檢測技術在巖體損傷測試中也得到了廣泛應用，專家學者利用超聲波穿過巖土介質后所反映的聲學特征參數如波速、振幅、衰減系數等來反演巖土介質的物理力學參數及損傷規律[22-25]。

以上研究成果表明，巖石在損傷破裂過程中波速、聲發射參數均會表現出一定的演化特征，但關于不同損傷程度巖石的波速及聲發射特征研究相對較少。鑒于此，筆者通過循環加卸載試驗制備不同損傷程度粉砂巖試樣，并開展單軸壓縮試驗，分析粉砂巖損傷程度與波速關系及其聲發射演化規律，探討不同損傷程度粉砂巖聲發射響應機制，以期為損傷巖體工程災害監測預警提供一定理論參考。

1 試樣制備及試驗方案

1.1 試樣制備

圖1 為制備的標準粉砂巖試樣。原巖取自陜西神東礦區布爾臺煤礦頂板的粉砂巖巖層，自地面向下鉆孔取心獲得，取樣地點煤層覆巖結構未受采動影響。依據國際巖石力學學會標準，將巖心切割加工為?50 mm×100 mm(高度)的標準圓柱體試樣、?50 mm×25 mm(高度)的巴西圓盤試樣，粉砂巖基本力學參數見表1。采用JSM-6510LV 型掃描電鏡觀測粉砂巖碎片細觀形貌特征，結果如圖2 所示，粉砂巖內部細密晶粒均勻分布，局部存在破碎巖屑與黏土礦物，整體均質性較好，試件基本力學參數都在統一認可的誤差范圍內。

表1 粉砂巖基本力學參數Table 1 Basic mechanical parameters of siltstone

圖1 標準粉砂巖試樣Fig.1 Standard siltstone specimens

圖2 粉砂巖試樣細觀形貌Fig.2 Micromorphology of siltstone specimens

目前，學者多通過開展循環加卸載試驗來制備不同損傷程度試樣，在循環加卸載過程中，試樣損傷演化過程必然伴隨著試驗輸入能、試樣儲存彈性能以及裂隙擴展耗散能之間的相互轉化[26]。圖3 為應力點σi處循環加卸載應力-應變曲線，其中加載曲線oa與應變所圍成的面積Soac為第i次循環中巖石存儲的輸入能密度ui，卸載曲線ab與應變所圍成的面積Sabc為彈性能密度uie，加載曲線oa與卸載曲線ab、應變所圍成的面積Soab為耗散能密度uid。由此可得輸入能、彈性能及耗散能密度計算公式為：

圖3 循環加卸載能量計算Fig.3 Schematic diagram of energy calculation of cyclic loading-unloading

本質上巖石損傷是由能量耗散引起的，損傷累積可以看作是能量耗散的不可逆過程，可根據下式定義巖石損傷變量[27]：

圖4 為不同循環加卸載次數下粉砂巖試樣損傷程度演化規律。開展循環加卸載試驗制備損傷試樣，采用位移控制方式，加卸載速率均為0.25 mm/min，載荷從0 →3 kN → 0.3 kN → 6 kN → 0.3 kN → 9 kN → 0.3 kN······逐級遞增。根據式(1)-式(3)計算粉砂巖試樣的輸入能、彈性能和耗散能密度，根據式(4)計算粉砂巖試樣損傷變量，最后根據損傷變量評估巖石損傷程度(損傷程度0 表示非損傷試樣)。隨著循環次數增加，試樣損傷程度呈非線性增長趨勢。

圖4 不同循環加卸載次數下粉砂巖損傷程度Fig.4 Damage degree of siltstone under different loading-unloading cycles

1.2 試驗方案

圖5 為本次試驗設備系統圖。利用RLJW-2000 型伺服巖石試驗系統對試樣加載；利用試驗機自帶的位移傳感器監測試樣軸向變形；采用AMSY-6 聲發射系統監測試樣裂隙發育情況，在試樣兩側分別粘貼一個聲發射探頭，探頭型號為VS45-H，前置放大器增益值設定為38 dB，信號激發門檻值設定為40 dB，儀器監測頻率為10 MHz；采用HKN-B 型聲波探測儀監測試樣波速。首先開展常規單軸壓縮試驗，測試非損傷試樣的基本物理力學參數；然后開展不同次數循環加卸載試驗，以此制備不同損傷程度試樣，試驗過程中加卸載速率均為0.25 mm/min，循環載荷以3 kN 逐級遞增，加載至預期損傷程度后取下試樣(圖4)；最后開展損傷試樣單軸壓縮試驗，測試損傷試樣在加載過程中的聲發射演化特征。

圖5 試驗設備系統Fig.5 Test equipment system

2 試驗結果分析

2.1 波速演化規律

圖6 為損傷試樣縱波波速演化規律。試樣縱波波速隨著損傷程度增加呈線性減小趨勢，當試樣損傷程度為0 時，縱波波速為2 256.79 m/s；當試樣損傷程度為9.51%時，縱波波速為2 318.19 m/s，相比非損傷試樣增加了5.84%；當試樣損傷程度為62.69%時，縱波波速為2 012.91 m/s，相比非損傷試樣減小了10.81%；最終當試樣損傷程度達到100%時，縱波波速為1 721.38 m/s，相比非損傷試樣減小了23.72%。波速的變化可以反映試樣內部裂隙發育程度，損傷程度較小的試樣處于微裂隙壓密狀態，其結構完整性較好，導致縱波波速減小不明顯甚至有所增大；而隨著循環加載次數增多，試樣內部裂隙密度增大，導致縱波波速明顯減小。

圖6 損傷試樣縱波波速演化規律Fig.6 P-wave velocity evolution law of damaged specimens

2.2 聲發射演化規律

圖7 為損傷試樣聲發射振鈴計數演化規律。振鈴計數隨著應力增加整體呈階段性遞增趨勢，當損傷程度為9.51%時，振鈴計數在壓密、彈性及屈服階段緩慢增加，屈服階段快速增加、峰后破壞階段突增達到峰值；當損傷程度為37.80%時，振鈴計數在壓密階段小幅增加，彈性及屈服階段緩慢增加、峰后破壞階段突增；當損傷程度為100%時，振鈴計數在峰前各個階段均呈線性增加趨勢，僅在峰后破壞階段小幅度突增。隨著試樣損傷程度增加，振鈴計數由階段性遞增轉變為加載全過程迅速增加，且峰后大幅突增現象不明顯。

圖7 損傷試樣聲發射振鈴計數演化規律Fig.7 AE ringing count evolution law of damaged specimens

圖8 為損傷試樣聲發射能量演化規律。隨著應力增加，聲發射能量呈先緩慢增加而后快速增加，最終在峰后破壞階段呈現突增演化趨勢。當損傷程度為9.51%時，能量在壓密及彈性階段緩慢增加，而在屈服階段出現小幅突增后迅速增加，并在峰后破壞階段出現多次突增，累積能量最終達16.1×10-10aJ；當損傷程度為37.80%時，能量在峰前各階段均緩慢增加，但在峰后破壞階段迅速增加，最終達到0.6×10-10aJ；當損傷程度為100%時，能量演化規律與損傷程度37.80%試樣類似，在峰后破壞階段突增至2.6×10-10aJ。隨著損傷程度增加，聲發射能量在屈服階段由小幅突增轉變為快速增加。

圖8 損傷試樣聲發射能量演化規律Fig.8 AE energy evolution law of damaged specimens

3 損傷巖石聲發射響應機制探討

3.1 b 值與S 值

聲發射b值反映了巖石內部不同尺度裂隙的發展趨勢，當b值在小范圍內波動時，巖石以漸進式穩定破壞為主，若b值發生大幅度波動，則巖石內部裂隙迅速擴展造成突發式失穩[18]。計算巖石聲發射b值公式[22]如下：

圖9 為損傷試樣聲發射b值演化規律。在加載過程中b值均呈波動式發展趨勢，但不同損傷程度粉砂巖試樣的b值演化特征區別明顯。當損傷程度為9.51%，b值在壓密及彈性階段呈小幅度波動，而在屈服階段突增，在峰后破壞階段達到峰值；當損傷程度為37.80%，b值在壓密階段波動增加，而在彈性階段波動減小，在屈服及峰后破壞階段快速增大直至峰值；當損傷程度為100%，b值在壓密階段突增，而在屈服及峰后破壞階段逐漸減小。隨著粉砂巖損傷程度增加，b值峰值區由峰后破壞階段向壓密階段轉移，即主控裂隙成形階段會更早出現。

圖9 損傷試樣聲發射b 值演化規律Fig.9 AE b value evolution law of damaged specimens

由此可見，當巖石損傷程度較小時，b值在壓密以及彈性階段小幅波動，僅在屈服及峰后破壞階段突增，即產生突發式失穩；當巖石損傷程度較大時，b值在壓密階段突增，而在彈性直至峰后破壞階段呈波動式減小趨勢，表明其在壓密階段已處于非穩定劣化狀態，造成破壞階段突發式失穩特征不明顯。需注意的是，當巖石損傷程度較小時，b值在屈服階段突增預示了巖石即將產生破壞，而當巖石損傷程度較大時，這一現象不明顯。因此，不同損傷程度巖石破壞失穩前兆具有一定區別，應結合其他聲發射參數演化特征進行合理預測。

聲發射S值反映巖體內部聲發射源集中程度和能量尺度，計算巖石聲發射S值公式[23]如下：

圖10 為損傷試樣聲發射S值演化規律。S值隨著應力增加經歷了先減小再波動變化，然后突增，最后達到峰值后減小的變化趨勢，但不同損傷程度粉砂巖試樣的S值演化特征區別明顯。當損傷程度為9.51%時，S值在壓密階段逐漸減小，彈性及屈服階段維持在0.1～0.2，峰后破壞階段出現突增現象；當損傷程度為37.80%時，S值在壓密及彈性階段呈波動式變化特征，直至在屈服階段出現突增而后在峰后破壞階段達到最大值；當損傷程度為100%時，S值在壓密及彈性階段為0.32～0.36，在屈服階段開始增大直至在峰后破壞階段達到最大值。隨著試樣損傷程度增加，在加載前中期聲發射S值由低位中幅度波動轉變為高位小幅度波動。

圖10 損傷試樣聲發射S 值演化規律Fig.10 AE S value evolution law of damaged specimens

由此可見，當巖石損傷程度較小時，S值在峰前階段呈低位中高幅度波動，而當巖石損傷程度較大時，S值在峰前階段呈高位小幅度波動，表明損傷程度較小巖石在峰前階段主要產生穩定破壞，損傷程度較大巖石在峰前階段產生非穩定破壞。

3.2 主頻特征

圖11 為損傷試樣聲發射主頻演化規律。主頻整體呈橫向條帶狀分布，在壓密及彈性階段主頻條帶相對較少，在屈服階段明顯增多，尤其在峰后破壞階段出現多個主頻信號帶，其中低頻高能信號主要分布在壓密及峰后破壞階段，但不同損傷程度試樣的主頻演化特征具有明顯差異。由圖11a、圖11b 可知，當損傷程度為9.51%時，主頻在壓密階段密集、彈性階段較少，在屈服階段開始增多直至在峰后破壞階段密集分布，主頻頻率主要分布在20～60、90～130 和250～300 kHz，在整個加載過程中以0～100 kHz 低頻信號為主，占比均達到80%以上，100～300、300 kHz 以上的中高頻信號較少，占比均低于10%。由圖11c、圖11d 可知，當損傷程度為37.80%時，主頻演化規律與之類似，但出現了400～500 kHz 的高頻低能信號帶，即高頻信號占比明顯增加，在彈性變形階段占比達到30%以上；由圖11e、圖11f 可知，當損傷程度為62.69%時，新出現了480～520、600～720和790～880 kHz 高頻低能信號帶，高頻信號占比進一步增加，在應力-應變曲線各個階段占比達到70%以上；由圖11g、圖11h 可知，當損傷程度為100%時，高頻信號帶頻率轉變為400～580、590～770 和780～880 kHz，在加載全過程高頻信號占比超過80%。

圖11 損傷試樣聲發射主頻演化規律及分布特征Fig.11 AE dominant frequency evolution law and distribution characteristics of damaged siltstone specimens

可見，當試樣損傷程度較小時，在壓密及彈性階段以低頻低能信號為主、高頻低能信號零星出現，在屈服階段開始出現低頻高能信號，最后在峰后階段出現大量低頻高能信號。而當損傷程度較大時，在壓密、彈性、屈服以及峰后階段均出現大量的高頻低能信號，在壓密以及峰后階段出現低頻高能信號。學者普遍認為，晶間滑移引起的摩擦型聲發射主頻小，新生裂隙發育引起的破裂型聲發射主頻高，而宏觀裂紋擴展與摩擦的混合型聲發射主頻頻帶較寬[28]。當損傷程度較小時，聲發射以低頻信號為主、高頻信號零星出現，主頻頻帶在壓密及彈性階段相對較窄、在屈服以及峰后破壞階段變寬，表明巖石劣化過程以晶間滑移為主；當損傷程度較大時，聲發射出現大量高頻低能信號，且高頻低能信號帶持續整個加載過程，表明巖石破壞過程以裂隙發育為主。

3.3 聲發射響應機制

圖12 為不同損傷程度巖石聲發射響應機制示意圖。損傷程度較小時，在壓密及彈性階段產生晶間滑移摩擦，聲發射b值和S值呈低幅小范圍波動、低能高頻信號零星出現；在屈服階段裂隙貫通形成裂紋，b值和S值開始增大、低頻高能信號增多；在峰后破壞階段裂紋擴展導致巖石破壞，b值和S值達到最大值、低頻高能信號密集出現。損傷程度較大時，在壓密及彈性階段其內部裂隙已開始不斷發育，b值突增后大幅度波動、S值維持在中幅小范圍波動、高頻低能信號密集出現且頻帶較寬；在屈服階段裂隙貫通形成裂紋，b值大幅度波動、S值開始增大、高頻低能信號較密集；在峰后破壞階段裂紋擴展導致試樣破壞，b值逐漸減小、S值先增大后減小、低頻高能信號出現。

圖12 不同損傷程度巖石聲發射響應機制Fig.12 AE response mechanism of rocks in different damage degrees

由此可見，不同損傷程度巖石破裂過程有明顯區別，晶間滑移、裂隙發育、裂紋擴展等行為對應的聲發射響應特征明顯不同。為了便于分析，將b值、S值以及主頻頻率認為是聲發射活躍度，主頻信號的能量認為是聲發射強度。據此可將不同損傷程度巖石聲發射響應機制總結為：損傷程度小時，巖石內部裂隙發育少，峰前階段以漸進式穩定變形為主，聲發射信號活躍度低、強度小；損傷程度大時，巖石內部裂隙密度增多，峰前階段以突發式非穩定變形為主，聲發射信號活躍度高、強度大。

以上對不同損傷程度的巖石波速及聲發射參數演化特征進行了分析，發現聲發射參數以及波速隨著巖石損傷程度變化具有明顯的規律性，可通過監測巖石的聲發射振鈴計數、能量、b和S值等參數演化趨勢定性評估其損傷程度[29-30]。而不同損傷程度試樣的聲發射主頻信號演化特征更便于量化評估，本次試驗選取的粉砂巖試樣在其損傷程度較大時，聲發射高頻低能(400～800 kHz、0～250 aJ)信號由零星出現轉變為加載全過程中密集分布，在圖11 中，當巖石損傷程度為37.80%時，在加載過程中0～100 kHz 的主頻數量占比為61.79%～80.59%，當巖石損傷程度為62.69%時，300 kHz 以上的主頻數量明顯增加，數量占比為73.34%～86.17%，且隨著損傷程度增加，主頻頻率的最大值同樣在不斷增大，當巖石損傷程度分別為9.51%、37.80%、62.69%、100%時，加載過程中主頻頻率的最大值分別為310、510、840、880 kHz，這一特征也可作為識別巖石損傷程度的指標之一。需注意的是，本次試驗只選取了粉砂巖作為試樣，不同巖性巖石受載過程中的損傷破裂過程存在一定差別[31-34]。由此導致聲發射參數規律演化也產生差異，后續將進一步對其他類型損傷巖石的聲發射演化規律及響應特征進行深入研究。

4 結論

a.開展不同損傷程度巖石的單軸加載試驗，其聲發射特征參數及縱波波速演化規律顯示：損傷試樣縱波波速隨著損傷程度增加呈線性減小趨勢，但聲發射振鈴計數由階段性遞增轉變為加載全過程迅速增加，聲發射能量在屈服階段由小幅度突增轉變為快速增加，聲發射b值峰值區由峰后破壞階段向壓密階段轉移，S值在壓密至屈服階段由低位中幅度波動轉變為高位小幅度波動。可將這些參數作為定性評估巖石損傷程度的指標。

b.基于聲發射主頻信號演化特征劃分了損傷巖石破裂類型。隨著試樣損傷程度增加，巖石破壞過程由晶間滑移主導型轉變為裂隙發育主導型，導致聲發射高頻低能(400～800 kHz、0～250 aJ)信號由零星出現轉變為加載全過程中密集分布，以及高頻信號帶變寬。高頻低能信號的出現可作為定量評價巖石損傷程度的指標。

c.揭示了不同損傷程度巖石破裂聲發射響應機制。損傷巖石內部裂隙發育程度不同是導致聲發射響應機制差異化的根本原因，巖石內部裂隙密度隨著損傷程度增加而增大，造成其在受載過程中由漸進式穩定破壞模式向突發式非穩定破壞模式轉變，以及加載過程中聲發射信號活躍度及強度增強。

符號注釋：

a為經驗常數，震級間隔取0.2，起算震級大小為2；A為聲發射幅值，dB；b為表征聲發射活動水平的物理量；D為基于耗散能密度占比定義的損傷變量，用于評估試樣的損傷程度，%；ms為統計窗口最大聲發射事件幅值的震級；msi為第i個聲發射事件幅值的震級；n為震級間隔下的聲發射統計累積頻次，即為標準化的幅值大于等于統計震級的聲發射數量；N為最終循環次數；Ni為第i次循環；ui為第i次循環中巖石存儲的輸入能密度，J/m3；uie為第i次循環中巖石存儲的彈性能密度，J/m3；uid為第i次循環中巖石耗散能密度，J/m3；ε為循環加卸載應力-應變曲線上某一點應變值；ε0為第i輪循環起始點對應的應變值；εi為第i輪循環應力峰值點對應的應變值；εie為第i輪循環卸載至0 點的應變值；σ為循環加卸載應力-應變曲線上某一點應力值，MPa。